珠三角水資源配置工程自密實混凝土試驗研究

熊飛

（湖北正平水利水電工程質量檢測有限公司珠海分公司, 廣東 珠海 519000）

1 自密實混凝土實驗

自密實混凝土是指依靠自身重力作用而不需要振搗即可均勻、密實地填充模板和包裹鋼筋的混凝土。自密實混凝土材料具有高流動性、高耐久性、凝結時間短、體積收縮小、長距離泵送過程中不發生性能損失、易于施工的優點，被越來廣泛應用于在各類型的結構工程中。

文章研究自密實混凝土在珠江三角洲水資源配置工程的應用，建立的一套系統的、準確的基于凈漿流變性及材料堆積特性的自密實混凝土配合比設計方法；此設計流程便捷簡單，在工程材料發生變化時仍然可以快速制備出滿足工作性能要求的自密實混凝土。盾構隧洞外襯采用預制鋼筋混凝土管片，管片內側隧洞上部240°沿隧洞方向鋪設新型復合排水板，內襯采用鋼管，內襯鋼管與排水板之間填充自密實混凝土，自密實混凝土強度等級為C30。

2 自密實混凝土（SCC）原材料要求

2.1 水泥

宜使用普通硅酸鹽水泥，其性能指標應符合規定。不宜選用早強水泥，水泥的細度宜控制在400 m2/kg范圍之內。

2.2 摻合料

宜使用摻合料，摻合料可單一品種摻加或多品種摻加，摻合料的種類宜為粉煤灰、石灰石粉。

粉煤灰：宜使用2級或1級粉煤灰作為摻合料，尤其是選用燒失量低的粉煤灰，其性能指標應符合規定。

石灰石粉：石灰石粉可外購或自產，其性能指標應符合石灰石粉性能要求的有關規定。

2.3 骨料

可使用天然砂或機制砂作為細骨料，其性能指標應符合規定，其中天然砂的含泥量和泥塊含量、有害物質限量、堅固性和壓碎指標均應按照不低于2 類砂的標準控制，機制砂MB 值應不大于1.4且其石粉含量和泥塊含量按不低于2類砂的標準控制，且不具有堿活性。

宜使用碎石作為粗骨料，其性能指標應符合規定，其中針、片狀顆粒含量宜按1 類碎石控制，含泥量和泥塊含量，堅固性指標、壓碎指標、吸水率等宜按不低于2類碎石的標準控制，用于加工粗骨料的巖的飽和抗壓強度不宜低于60 MPa，且不具有堿活性。

2.4 外加劑

應使用聚羧酸鹽為主要原料的高性能減水劑，其性能指標應符合《混凝土外加劑》的有關規定。

3 自密實混凝土配合比要求

3.1 第一次測試

3.1.1 原材料性能

粉體材料密度：水泥的密度為3 170 kg/m3，粉煤灰的密度為2 530 kg/m3。細骨料特性：含水率3.12%，表觀密度2 620 kg/m3，含泥量0.23%。粗骨料特性：含水率0.63%，表觀密度2 740 kg/m3，含泥量1.45%。

3.1.2 配合比

第一次試驗室測試配合為：水泥257 kg，粉煤灰204 kg，砂761 kg，石864 kg，水189 kg，外加劑7 kg。

3.1.3 流變性和強度

流變性和強度測試結果如表1所示

表1 C30自密實混凝土第一次測試試驗結果表

3.1.4 說明

第一次試驗室測試采用的是自行配制的聚羧酸外加劑；配合比為扣除含水率后的試驗結果，即表中所有固體材料含水率視為0。

3.2 第二次測試

3.2.1 原材料性能

第二次測試的水泥、粉煤灰、細骨料與第一次測試時的性能相同，粗骨料特性為：含水率1.20%，表觀密度2 650 kg/m3，含泥量2.50%。

3.2.2 配合比

由于骨料含泥量過大，導致現場適配時流變性不滿足要求，將石子清洗、烘干后（含泥量為0），按照水泥257 kg，粉煤灰204 kg，砂761 kg，石864 kg，水189 kg，外加劑7.37 kg。

3.2.3 流變性

所得到的流變性結果如表2所示

表2 C30自密實混凝土第二次測試試驗結果表

3.2.4 說明

第二次試驗室測試采用的是現場提供的聚羧酸外加劑。配合比為扣除含水率后的試驗結果，即表中所有固體材料含水率視為0。施工單位在現場針對第一次測試提供的配合比，應對流變性能和強度進行復核。

4 控制性指標要求

4.1 自密實混凝土性能指標

自密實混凝土的自密實性能應采用坍落度、坍落擴展度和V形漏斗通過時間進行檢測和評價，試驗檢測方法應符合有關規定，其自密實性能指標應符合表3的規定。

表3 自密實混凝土性能指標表

4.2 長距離泵送性能指標

針對長距離泵送自密實混凝土，當自密實混凝土工作性能滿足如下指標時，其泵送性能即為合格。具體指標如表4所示。

表4 自密實混凝土泵送性能指標表

4.3 硬化及耐久性能要求

4.3.1 早期強度要求

自密實混凝土28 d齡期的強度等級應滿足設計要求。

4.3.2 耐久性能要求

耐久性能應遵循《水工混凝土結構設計規范》SL191和《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》SL654關于耐久性的要求。

按照《水工混凝土結構設計規范》，不得采用堿活性骨料，不得采用受到海水作用的砂石，不得采用海水拌合，混凝土總堿含量小于3 kg/m3，最大氯離子含量小于0.06%（設計年限100年），最小水泥用量不低于300 kg/m3，最大水灰比不大于0.50。

4.4 自密實混凝土配合比設計的要求

自密實混凝土配合比設計應采用體積法進行，配合比設計報告中除應說明原材料性能檢測情況、配制強度取值、設計配合比及其自密實性能和硬化性能檢測情況等，還應說明原材料性能的正常波動可能對自密實混凝土性能產生的影響以及相應的調整方法和范圍。

5 自密實混凝土實驗配合比設計

從物理本質分析凈漿、砂漿流變性和自密實混凝土工作性能間的關聯，通過建立力學模型，提出一套基于凈漿流變性的自密實混凝土配合比設計方法。從而實現從凈漿層面對自密實混凝土的工作性能做出預測，形成便捷的、簡單的設計流程，大大節約配制自密實混凝土的人力及時間成本；還可解決各標段原材料差異性導致SCC工作性能發生變化的問題，且適用于機制砂的情況。具體提出的基于凈漿流變性及材料堆積特性的自密實混凝土配合比設計如下。

第一步：設定粗骨料摻量；根據工程需求，設定每立方混凝土中粗骨料的摻量。

第二步：設定砂率（?）；砂率（?）是砂占砂漿的體積比，?可根據工程需求，進行設定。

第三步：確定水粉比（VW/VP）、減水劑摻量（SP%），做凈漿試驗；凈漿試驗中需確定兩個參數，體積水粉比（VW/VP）和聚羧酸減水劑溶液相比于粉體質量的摻量（SP%）。初始體積水粉比（VW/VP）根據水泥基本需水率以及工程所需水泥用量確定，初始減水劑摻量（SP%）可根據工程試驗經驗以及廠家推薦選取。試驗按照《混凝土外加劑勻質性試驗方法》的規定，用經典的凈漿坍落度筒實驗方法對水泥凈漿流動性進行測量。獲得凈漿擴展度（SF）和凈漿擴展度筒從開始提起到凈漿的擴展度達到200 mm的時間（T200）。

根據凈漿實驗結果（SF＆T200）獲得凈漿的流變參數（τpaste和ηpaste），計算公式如下：

以上兩式中：τpaste是凈漿的屈服強度；ηpaste是凈漿的黏度；ρpaste是凈漿的密度；g 是重力加速度，取9.80 m/s2；Vcone和hcone分別為凈漿擴展度筒的容積和筒的高度；SF 為凈漿的擴展度；SFpres為凈漿擴展度達到某一設定值，根據前人的研究，設定為200 mm；T200為凈漿擴展度筒從開始提起到凈漿的擴展度達到200 mm 的時間；slump 為擴展度達200 mm 時的坍落度，為定值；系數λ為考慮擴展度板表面張力的修正系數，此研究中，擴展度板材料為玻璃板，λ取值0.000 5。

第四步：根據提出的基于凈漿流變性，及材料堆積特性的自密實混凝土配合比，設計流變模型計算凈漿對應的閾值。

閾值計算公式如下：

上式中：τpaste是凈漿的屈服強度；ηpaste是凈漿的黏度；τpaste，threshold是凈漿的屈服強度閾值，ηpaste，threshold是凈漿的黏度閾值；ρmortar是砂漿的密度；g是重力加速度，取9.80 m/s2；δmortar是砂漿膜厚；△ρ是砂漿和石子的密度差；a 和b 分別取2r 和0.90 r，r 為石子的平均半徑；經驗系數n取4.20；特征黏度系數［n］取2.50；?是真實砂率；?max是理想最大砂率，dmin和dmax分別為砂的最小和最大粒徑。

SCC中的砂漿一部分填充粗骨料空隙，這部分砂漿的體積等于粗骨料空隙體積（Vvoid），另一部分砂漿在石子外部形成等厚的砂漿膜（δmortar），其體積被稱作剩余砂漿體積（Vexc），兩部分砂漿體積之和記作Vmortar。據此，可以計算出砂漿膜厚（δmortar）；石子平均半徑r根據石子篩分粒徑結果計算；δmortar和r計算公式如下：

上式中：Vvoid為疏松堆積石子空隙體積；VG是每立方混凝土中石子的體積；ρG是石子表觀密度；ρ'G是石子堆積密度，Vexc是剩余砂漿體積；Vmortar為每立方混凝土中砂漿的體積；r為石子平均半徑；Di為第i級石子的篩分粒徑，如5 mm、20 mm等，取相鄰兩個篩分粒徑的幾何平均數，ai%為第i級石子占總石子的質量百分比。

第五步：將凈漿的流變參數（τpaste和ηpaste）與對應的凈漿閾值（τpaste，threshold、ηpaste，threshold）進行比較；具體的，基于閾值理論判定準則，預測合格的SCC（SF≥600mm，VF 介于5-25s），其對應的凈漿流變參數（τpaste和ηpaste）需要同時滿足：τpaste≤τpaste，threshold；ηpaste≥ηpaste,threshold。如果這兩個準則同時滿足，則基于凈漿流變性預測的該組SCC 工作性能合格，可以進行SCC 試配及驗證，如不滿足，則進行第四步。

第六步：基于判定結果進行調整；若τpaste＞τpaste，threshold，可增大減水劑摻量；如ηpaste＜ηpaste，threshold，可以減小水粉比。根據調整后的水粉比和減水劑摻量進行凈漿試驗，重復步驟三—六。

配合比設計流程如圖1所示。

圖1 配合比設計流程圖

6 結 語

綜上所述，通過珠江三角洲水資源配置工程高強自密實混凝土實驗可知：自密實混凝土的實驗試配是自密實混凝土應用前最重要、最基礎的技術準備工作，它直接關系到實際施工質量，是自密實混凝土工程的關鍵環節。自密實混凝土的配合比優化設計需要科學選配原材料，其中粗細集料都有明確的規格和標準，也要選擇合適的減水劑作為外加劑，以確保混凝土質量達到最優。